灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基的应用研究

孟志豪

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

我国华北地区存在大面积的黄土。湿陷性黄土是一种非饱和、欠密实、大孔隙、低密度的土体，该土体在水及外部荷载作用下会出现附加下沉，因此不能直接用于地基的填筑[1]。目前对于湿陷性黄土的处理技术包括：换土垫层法、重锤夯实法、强夯法和挤密桩等。

本文结合山西某公路湿陷性黄土路基处理技术进行研究，主要对灰土挤密桩的加固机理进行分析，确定灰土的配比，并结合实体工程探讨灰土桩的布设方案和施工工艺，对施工质量进行检测及评价。

1 灰土挤密桩的加固机理

灰土挤密桩主要通过两个方面加固湿陷性黄土等软土地基：桩间土的挤密作用与灰土桩桩体作用[2]。

1.1 桩间土挤密作用

桩孔位置的原土体在灰土挤密桩的锤击沉管成孔过程中会被强制侧向挤压，从而显著提高灰土桩周围一定范围内土体的密实度。工程实践表明，相邻桩孔挤密区交界处的挤密作用可相互叠加，桩距越小，叠加效果越显著。合理的桩间距不仅能有效提高桩间土中心部位的密实度，还能保证土体密度的均匀性。从力学性能上看，桩间土的挤密能够显著提高桩间地基土承载力，消除湿陷性，并达到控制沉降及减小沉降差异性的目的。

1.2 灰土桩桩体作用

适当比例的石灰、土、水拌和形成稳定的混合料，并在桩孔内经过夯实击密作用而形成的柱状体即为灰土桩。石灰土具有较强的气硬性等化学性能，在水的作用下，石灰电离出大量的正电荷钙离子，湿陷性黄土则存在大量带负电荷的黏土颗粒，两者相互吸附而形成胶体凝聚。而由于石灰是一种气硬性材料，随着水分的散失和龄期的增长，土体固化作用不断提高，灰土的强度也逐渐增加。

灰土桩的弹性模量远远超过桩间土，虽然其面积仅占总地基面积的1/5左右，但一半左右的上部荷载由其承担，显著减小了一定深度内桩间土的内部应力，有效降低湿陷性黄土的压缩变形和湿陷变形。其次，灰土桩会对桩间土产生侧向约束作用，限制土的侧向移动，桩间土只产生竖向压密，使压力与沉降呈线性关系。

综上所述，灰土桩对桩间土的挤密、侧向约束及桩体的承载作用是加固湿陷性黄土路基的主要作用机理。

2 灰土室内试验研究

通过上述分析可知，灰土挤密桩复合地基中灰土桩承受着一半左右的荷载作用，因此灰土桩的强度性能是影响复合地基承载力的关键因素。灰土比和含水率是影响灰土桩强度的主要因素，故必须进行室内试验设计出合理的灰土配比。

2.1 原材料试验

本文结合山西某湿陷性黄土路基公路进行研究。该地区湿陷性黄土深12 m，首先在现场取土样进行室内试验测试其物理力学性质，具体试验结果见表1。

表1 湿陷性黄土物理力学性质检测结果

从表1可以看出，该地区的湿陷性黄土具有大孔隙比、高含水率、低压缩模量的特点。因此需要地基进行加固设计，提高地基的承载能力。

2.2 最佳含水率的确定

根据工程经验，选取1∶9、2∶8、3∶7三个灰土比进行室内试验，预拌含水量从13%开始，以3%为用水量间隔依次递增至28%。为了准确确定含水量，进行击实试验之前先将湿陷性黄土放入105℃烘箱中恒温48 h，保证水分全部烘干。然后根据《公路土工试验规程》（ JTG E40—2007）[3]采用重型击实方法，根据最大干密度原则确定最佳含水量。击实试验结果见表2。

表2 试验结果

图1 含水率与干密度关系曲线

从图1可以看出，灰土比为 1∶9、2∶8、3∶7的灰土最佳含水率依次为18.5%、20%和22%；最佳干密度依次为 1.63 kg/cm3、1.61 kg/cm3和 1.60 kg/cm3。

2.3 强度试验

采用上述确定灰土比和最佳含水率拌和灰土混合料，测试各自的7 h无侧限抗压强度，根据最大强度理论确定最终的灰土比。试验结果见表3。

从表3看出，灰土比为1∶9、2∶8、3∶7的灰土7 h无侧限抗压强度依次为660.25 kPa、609.75 kPa、688.25 kPa， 都 满 足 设 计 要 求 的300 kPa。但灰土比为2∶8灰土的标准差较小，强度性能较为稳定。因此，综合考虑强度及工程造价因素，拟采用灰土比为2∶8，最佳含水率为20%的灰土夯击成型灰土桩加固湿陷性黄土地基。

表3 抗压强度试验结果

3 灰土挤密桩布设及施工

3.1 挤密桩布设方案

灰土挤密桩的布设方案主要包括：桩孔间距、桩长、布设形式、复合地基承载力特征值等参数。由于该路段湿陷性黄土深约12 m，长约0.42 km，路基宽10 m，因此给出灰土桩布设方案如下：

a）根据规范，灰土桩桩径通常在300～500 mm之间，本工程选用400 mm。

b）本工程拟选用沉管锤击法成孔，其中桩管直径为377 mm，桩管长度为9.5 m，桩头直径为400 mm。采用间距为0.8 m的等边三角形桩孔布设方案。

c）桩体长度取9.5 m。

d）复合地基承载力特征值根据式（1）进行计算：

式中：fspk为复合地基承载力特征值；fpk为桩体单位面积承载力特征值；fsk为桩间土承载力特征值；m为面积置换率。

在此取 fpk=600 kPa，fsk=180 kPa，置换率 m=0.68，经计算fspk=459.6 kPa。

3.2 施工工艺

3.2.1 工艺流程

灰土桩复合地基施工流程如图2所示。

图2 施工工艺流程图

3.2.2 控制要点

施工过程中主要需要控制灰土挤密桩的桩数、排列尺寸、孔径、深度、填料质量及配合比，压实度、挤密系数等参数，但同时需特别注意以下内容：

a）沉管桩成孔过程中必须确保钻机准确平稳，需要高度注意桩管的垂直度和贯入速度，成孔完毕后应及时拔出桩管。

b）夯击时确保就位的平稳性及沉管的垂直性，夯锤必须对准灰土桩的中心。

c）必须严格控制含水率在最佳含水率+2%范围内，由于灰土的拌制过程中水分极易散失，因此必须保证各个施工工序的连续性。

d）由于桩身较长，必须分层夯击，严格控制压实度。

4 施工质量检测

灰土挤密桩复合地基施工完毕7 h后，对桩身的压实度和强度、桩径以桩间土的物理力学指标进行现场取样检测，并对路基沉降进行跟踪观测。桩身检测结果见表4，桩向土检测结果见表5。

表4 灰土桩压实度检测结果

从表4可以看出，各个深度的灰土桩都能够满足规范要求的95%压实要求；桩身强度也要高于试验室测试的600 kPa承载力；桩径能够控制在400±20 mm的范围之内，满足要求。且随着深度的增加，灰土桩桩身的压实度和强度不断增加。

表5 桩间土检测结果

从表5桩间土的检测结果看，灰土挤密桩能够有效降低湿陷性黄土的湿陷性，提高地基土的压缩模量，降低孔隙比，改善湿陷性黄土的物理力学性能。

5 结语

结合山西某公路湿陷性黄土路基处理方案进行研究。灰土挤密桩主要通过对桩间土的挤密、侧向约束及桩体的承载作用来提高复合地基的承载力。室内采用击实试验和无侧限抗压强度试验，根据最大干密度原则和最大强度原则确定采用灰土比为2∶8、含水率为20%的灰土进行灰土桩的施工。灰土挤密桩采用0.8 m的等边三角形布设方案和沉管锤击法成孔技术，最后通过对桩身和桩间土现场取样检测结果表明，灰土挤密桩能够有效改善湿陷性黄土的力学性能，提高地基承载能力。